半固態金屬漿料制備裝置及方法

半固態金屬漿料制備裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種半固態金屬漿料制備裝置和方法，包括供氣裝置、導氣管、攪拌桿以及用于盛放金屬熔體的承載容器；攪拌桿伸入承載容器中金屬熔體內的一端為攪拌端，攪拌端內部具有空腔，供氣裝置用于在攪拌桿對金屬熔體進行攪拌時通過導氣管向攪拌端內部空腔內注入冷卻氣體，形成冷卻與攪拌的處理方式，使得金屬熔體在攪拌流動的過程中內部溫度場分布基本均勻且不會有明顯的過冷梯度，破壞了枝晶生長環境，從而獲得液相基體中均勻分布著一定比例的近球狀初生固相的半固態漿料。可見本發明實現了半固態漿料的連續快速制備，連續工作穩定可靠，能簡化工藝，降低成本，提高效率，推動半固態金屬加工技術的工業化應用。
【專利說明】
半固態金屬漿料制備裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及半固態金屬加工技術領域，尤其涉及一種半固態金屬漿料制備裝置及方法。
【背景技術】
[0002]20世紀70年代初，美國麻省理工學院M.C.Flemings等研究人員發明了半固態金屬成形技術，從此，半固態金屬漿料的制備和成形引起了世界各國學者的普遍關注和研究。半固態楽料的制備是半固態金屬加工技術的基礎與關鍵。據文獻“Behav1r of metalalloys in the semisolid state”(M.C.Flemings, Metall Trans, 1991，22A:957-981)、“Method and apparatus for shaping semisolid metals”(A.Mitsuru,S.Hiroto, H.Yasunori, et al, EP Patent, 0745694A1, 1996)、“A novel technique to produce metalslurries for semisolid metal processing”，發明名稱為“一種懸掛錐筒式半固態金屬楽料制備及輸送裝置”、申請號為200810114097.3的中國專利，發明名稱為“半固態金屬及合金漿料或坯料的制備方法”、申請號為200410009296.X的中國專利，文獻《金屬材料半固態加工理論與技術》(康永林，毛衛民，胡壯麒著，科學出版社，2004)和文獻《金屬半固態加工技術》(謝水生，李興剛，王浩，張瑩，冶金工業出版社，2012)報道，獲取半固態合金漿料有多種方法，如單螺旋攪拌法、雙螺旋攪拌法、電磁攪拌法、氣泡攪拌法、低過熱度澆注和弱機械攪拌法、紊流效應法、化學晶粒細化法、超聲波處理法、噴射沉積法、冷卻斜槽法、連續流變轉換法、旋轉熱焓平衡法等。但為了降低半固態金屬漿料的制備成本和實現穩定連續可靠的工業化生產，各國學者、研究人員以及工業界仍在不斷努力和探索，試圖找到新的更好的半固態金屬漿料的制備技術。
[0003]文獻“ANovel Technique to Produce Metal Slurries for Sem1-Solid MetalProcessing，，(J.Wannasin, R.A.Martinez, M.C.Flemings, Proceedingsof the 9th onSem1-solid Processing of Alloys and Composites, Pusan, Korea, 2006, 366-369)提出:泰國Songkla大學的Wannasin、Martinez等提出了一種氣泡擾動制備半固態金屬楽料的新方法。其技術路線為:在合金熔體冷卻過程中，將石墨壁上開有許多小孔的石墨攪拌桿浸入低過熱度的合金熔體中，將氣體通過石墨棒的小孔導入合金熔體中，在熔體浮力和旋轉的石墨攪拌桿產生的離心力作用下，氣泡將在熔體中上升并做螺旋形軌跡的運動，對熔體產生強對流弱攪拌作用，當合金熔體溫度降至半固態溫度區間時便可獲得半固態漿料。在氣泡擾動制備半固態漿料的工藝設備中，將帶有許多小孔的石墨攪拌桿浸入到低過熱度的合金熔體中并同時往石墨棒中通入氣體，待合金熔體降至半固態溫度區間即可。但該方法會導致部分氣泡滯留在合金熔體中，且石墨棒的小孔容易堵塞，需要頻繁清理。
[0004]文獻“Sem1-solid processing of engineering alloys by atwin-screw rheo-moulding process.^ (S.Jij Z.Fan and M.J.Bevisj Mater Sci &Eng, 2001，299A:210-217)提出:雙螺旋機械攪拌設備主要包括液態鎂合金供料機構、雙螺旋機械攪拌機構和中央控制機構。液態鎂合金一旦進入攪拌系統，一邊被雙螺旋攪拌桿強烈剪切，一邊被冷卻到預期的固相分數；當鎂合金半固態漿料到達輸送閥時，初生固相已經轉變為球狀顆粒，并均勻分布在低熔點的液相中。但這種雙螺旋機械攪拌流變射鑄設備僅適合于鎂合金的半固態流變成形。在雙螺旋機械攪拌設備中，將過熱合金熔體平穩導入雙螺旋機械攪拌筒中即可。但該方法的不足之處是雙螺旋結構存在螺桿工況差，消耗高，壽命短，僅適合于鎂合金半固態漿料的制備，且清理拆卸麻煩的問題。
[0005]申請號為4434837的美國專利提出了流變鑄造法(新MIT法)，又稱為“旋轉冷卻針法”。該技術的核心思想為:將低過熱度的合金液澆注到制備坩禍中，利用鍍膜的銅棒對合金液進行短時弱機械攪拌，使合金熔體冷卻至液相線溫度以下，然后移走攪拌銅棒，讓半固態合金熔體冷卻至預定溫度，從而獲得較為理想的半固態漿料。在MIT工藝的設備中，將帶有冷卻作用的鍍膜銅棒插入低過熱度的熔體中進行短時弱機械攪拌即可。但該方法不適合于制備大容積半固態漿料和難以實現半固態金屬漿料的連續穩定快速制備。
[0006]歐洲專利EP 0745691A1提出了 New Rheocasting技術，簡稱NRC。其技術路線為:首先將低過熱的合金熔體流過一個傾斜板上，形成含有大量初生固相核心的半固態漿料，然后澆入漿料收集坩禍內，通過控制冷卻強度使漿料中的初生固相以球形方式成長，再對半固態金屬漿料進行溫度調整，以獲得盡可能均勻的溫度場或固相分數，最終獲得半固態金屬楽料。在New Rheocasting工藝設備中，將過熱金屬恪體平穩地饒倒傾斜平板(傾斜圓管、或傾斜半圓管)上即可。但該方法容易造成傾斜板表面粘料，需要不斷清理，費時費力且浪費合金。
[0007]此外還有申請號為200620018003.9的中國專利提出了一種熔體分散混合制漿裝置；申請號為03132471.1中國專利提出了不等徑彎道擠壓-剪切誘導等溫球晶化半固態坯復合制備法，申請號為200810114097.3提出了懸掛錐桶式半固態金屬漿料制備裝置；申請號為00109540.74中國專利提出了低過熱度加弱電磁攪拌制漿技術，申請號為200710011510.9提出了波浪型傾斜版振動制漿裝置，申請號為201120425807.1提出了一種輕合金半固態漿料制備裝置等等。
[0008]以上各種制備半固態合金漿料的方法各有自己的特點，但也都存在各自的不足，大多數還只是停留在實驗室研究階段，仍需提出新的制漿裝置和技術，以便簡化工藝，降低成本，提高效率，推動半固態金屬加工技術的工業化應用。

【發明內容】

[0009]本發明要解決的主要技術問題是，提供一種新的半固態金屬漿料制備裝置及方法。
[0010]為解決上述技術問題，本發明提供一種半固態金屬漿料制備裝置，包括:供氣裝置、導氣管、攪拌桿以及用于盛放金屬熔體的承載容器；所述攪拌桿伸入所述承載容器中金屬熔體內的一端為攪拌端，所述攪拌端內部具有空腔，所述供氣裝置用于在所述攪拌桿對所述金屬熔體進行攪拌時通過所述導氣管向所述攪拌端內部空腔內注入冷卻氣體。
[0011 ] 在本發明的一種實施例中，所述攪拌桿為中空結構且中間的空腔在縱向上延伸至所述攪拌端；
[0012]或所述攪拌桿中間由一中空套筒和設置于所述中空套筒中心位置的實心柱構成，所述實心柱與所述中空套筒內壁之間形成空腔，且該空腔在縱向上延伸至所述攪拌端；
[0013]或所述攪拌桿的攪拌端為中空結構，其他部分為實心結構。
[0014]在本發明的一種實施例中，所述攪拌桿攪拌端以上部位還設有與所述空腔連通的通氣口，所述導氣管的入氣口與所述供氣裝置的出氣口連接，所述導氣管的出氣口與所述通氣口連接或通過所述通氣口伸入所述空腔，注入所述空腔內的冷卻氣體最終通過所述通氣口流出所述空腔。
[0015]在本發明的一種實施例中，所述導氣管的出氣口通過所述注氣口伸入所述空腔時，所述導氣管伸入所述空腔部分的側壁上設有與導氣管管孔相通的噴射孔，所述冷卻氣體通過所述噴射孔向所述空腔內噴射。
[0016]在本發明的一種實施例中，所述攪拌桿的攪拌端外壁上還設有攪拌葉片。
[0017]在本發明的一種實施例中，所述攪拌桿的攪拌端伸入所述承載容器中金屬熔體內時，其縱向軸線與水平面之間的夾角為30°?90°。
[0018]在本發明的一種實施例中，還包括攪拌控制裝置，與所述攪拌桿連接，用于控制所述攪拌桿攪拌時的轉速。
[0019]在本發明的一種實施例中，還包括溫度檢測裝置，用于檢測所述承載容器中金屬熔體的溫度。
[0020]在本發明的一種實施例中，所述導氣管的內徑為2mm?100mm。
[0021]為了解決上述問題，本發明還提供了一種利用如上所述的半固態金屬漿料制備裝置制備半固態金屬漿料的方法，包括:
[0022]在所述承載容器中制備金屬熔體，或將制備好的金屬熔體加入所述承載容器中；
[0023]所述攪拌桿的攪拌端在所述承載容器中的金屬熔體內按照預設轉速和方向進行攪拌，且所述供氣裝置通過所述導氣管按預設氣體流量向所述空腔內注入冷卻氣體；
[0024]待所述承載容器中的金屬熔體冷卻至預定溫度后，所述攪拌桿停止攪拌，所述供氣裝置停止向所述空腔內注入冷卻氣體。
[0025]在本發明的一種實施例中，所述預設轉速為O?1000r/min。
[0026]在本發明的一種實施例中，所述預設氣體流量為O?1000L/min。
[0027]在本發明的一種實施例中，所述預定溫度等于所述金屬熔體的金屬體液相線溫度t+Δ t, Λ t的取值范圍為0°C?100°C。
[0028]本發明的有益效果是:
[0029]本發明提供的半固態金屬漿料制備裝置和方法包括供氣裝置、導氣管、攪拌桿以及用于盛放金屬熔體的承載容器；攪拌桿伸入承載容器中金屬熔體內的一端為攪拌端，攪拌端內部具有空腔，供氣裝置用于在攪拌桿對金屬熔體進行攪拌時通過導氣管向攪拌端內部空腔內注入冷卻氣體，形成冷卻與攪拌的處理方式，使得金屬熔體在攪拌流動的過程中內部溫度場分布基本均勻且不會有明顯的過冷梯度，破壞了枝晶生長環境，從而獲得液相基體中均勻分布一定比例的近球狀初生固相的半固態漿料。可見本發明實現了半固態漿料的連續快速制備，連續工作穩定可靠，可以簡化工藝，降低成本，提高效率，推動半固態金屬加工技術的工業化應用。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明實施例一提供的攪拌桿結構示意圖一；
[0031]圖2為本發明實施例一提供的攪拌桿結構示意圖二；
[0032]圖3為本發明實施例一提供的攪拌桿結構示意圖三；
[0033]圖4為本發明實施例二提供的制備裝置制備半固態金屬漿料流程示意圖；
[0034]圖5為本發明實施例三提供的半固態金屬漿料制備裝置結構示意圖；
[0035]圖6為本發明實施例三提供的制備裝置制備半固態金屬漿料狀態示意圖一；
[0036]圖7為本發明實施例三提供的制備裝置制備半固態金屬漿料狀態示意圖二；
[0037]圖8為本發明實施例三提供的制備裝置制備半固態金屬漿料狀態示意圖三；
[0038]圖9為本發明實施例三提供的A356鋁合金半固態漿料金相顯微組織示意圖；
[0039]圖10為本發明實施例三提供的ADC12鋁合金半固態漿料金相顯微組織示意圖；
[0040]圖11為本發明實施例三提供的7075鋁合金半固態漿料金相顯微組織示意圖；
[0041]圖12為本發明實施例三提供的AZ91D鎂合金半固態漿料金相顯微組織示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0043]實施例一:
[0044]本實施例示例了采用氣冷攪拌桿技術來制備半固態漿料(具體可以是輕合金半固態漿料，也可以是其他類型的金屬半固態漿料)，可以改善現有攪拌技術的不足，提高漿料制備質量和生產效率。具體的，本實施例中的半固態金屬漿料制備裝置包括供氣裝置、導氣管、攪拌桿以及用于盛放金屬熔體的承載容器；該承載容器可以是坩禍或者其他可以承受高溫的器皿；該金屬熔體具體可以是鎂合金熔體、鋁合金熔體、鋅合金熔體及其復合材料熔體等；攪拌桿伸入承載容器中金屬熔體內的一端為攪拌端，攪拌端內部具有空腔(內腔)，供氣裝置在攪拌桿對承載容器內的金屬熔體進行攪拌時通過導氣管向攪拌端內部空腔內注入冷卻氣體，形成冷卻與攪拌協同處理方式，使得金屬熔體在攪拌流動的過程中內部溫度場分布基本均勻且不會有明顯的過冷梯度，破壞了枝晶生長環境，從而獲得液相基體中均勻分布一定比例的近球狀初生固相的半固態漿料。
[0045]也即本實施例中的攪拌桿具有內部空腔，且該內部空腔至少延伸至攪拌桿的攪拌端。下面以幾種具體的內空攪拌桿結構進行示例性的說明，應當理解的是并不僅限于以下幾種結構。
[0046]請參見圖1所示的攪拌桿11，攪拌桿11為中空結構，外部封閉；且該攪拌桿11中間的空腔111在縱向上延伸至攪拌端(該實例中為下端)，以保證冷卻氣體可以注入至攪拌端內部；在攪拌桿11的上端(理論上可以設置在攪拌端以上的任意部位)還設有與空腔連通的通氣口 112，連接時，導氣管的入氣口與供氣裝置的出氣口連接，導氣管的出氣口與通氣口 112直接連接或通過該通氣口 112伸入空腔111，注入空腔111內的冷卻氣體最終通過通氣口 112流出空腔111。應當理解的是，本示例中導氣管伸入空腔111的深度可以根據實際需要靈活調整設置，此處優選伸入空腔111的中部或中下部。
[0047]請參見圖2所示的攪拌桿，攪拌桿為由中空套筒22和設置于中空套筒22中心位置的實心柱223構成；實心柱223與中空套筒22內壁之間形成空腔221，且該空腔221在縱向上延伸至攪拌桿的攪拌端(該示例中為下端)；以保證冷卻氣體可以注入至攪拌端內部；在攪拌桿11的上端(理論上可以設置在攪拌端以上的任意部位)還設有與空腔連通的通氣口 222，連接時，導氣管的入氣口與供氣裝置的出氣口連接，導氣管的出氣口與通氣口222直接連接或通過該通氣口 112伸入空腔221，注入空腔221內的冷卻氣體最終通過通氣口 222流出空腔221。應當理解的是，該示例中導氣管伸入空腔221的深度也可以根據實際需要靈活調整設置，此處優選伸入空腔221的中部或中下部。
[0048]請參見圖3所示的攪拌桿33，攪拌桿33下端為攪拌端，攪拌端為中空結構具有腔體331，攪拌桿33的其他部分則為實心結構；在攪拌桿33的攪拌端以上部位還設有與空腔連通的通氣口 332，連接時，導氣管的入氣口與供氣裝置的出氣口連接，導氣管的出氣口與通氣口 332直接連接或通過該通氣口 332伸入空腔331，注入空腔111內的冷卻氣體最終通過通氣口 332流出空腔331。應當理解的是，本示例中導氣管伸入空腔331的深度也可以根據實際需要靈活調整設置，此處優選伸入空腔331的中部或中下部。
[0049]應當理解的是，本實施例中的攪拌桿上設置的通氣口可以僅作為進氣口用，而在攪拌桿上的其他位置設置至少一個與空腔相同的出氣口以用于排氣，設置的位置優選保證排出的氣體不能進入承載容器中的金屬熔體內。
[0050]本實施例中的攪拌桿優選為圓柱形，當然根據實際需要也可以調整為其他形狀的攪拌桿。本實施例中攪拌桿具體可采用不銹鋼、石墨、鑄鐵、磨具鋼或鍍膜銅合金等材料制成，且攪拌桿的攪拌端伸入承載容器中金屬熔體內時，其縱向軸線與水平面之間的夾角為30°?90°，優選為90°。本實施例中，當導氣管的出氣口通過注氣口伸入攪拌桿內部空腔時，優選伸入的導氣管部分的縱向軸線與攪拌桿攪拌端的縱向軸線平行。
[0051]本實施例中，當導氣管的出氣口通過注氣口伸入攪拌桿內部空腔時，還可在導氣管伸入空腔部分的側壁上設置至少一個與導氣管管孔相通的噴射孔，此時冷卻氣體通過該噴射孔直接向攪拌桿內部空腔內噴射冷卻氣體，以提升效率和制冷效果；此時，還可考慮將導氣管底部的出氣口封閉也可。應當理解的是，本實施例中的冷卻氣體可以是各種能用于制冷的氣體，例如空氣或其他冷卻氣體。
[0052]在本實施例中，為了提升攪拌效率和效果，還可進一步在攪拌桿的攪拌端外壁上設置攪拌葉片，該攪拌葉片可以設置為一片或多片，優選在攪拌端外壁上均勻分布設置多片攪拌葉片。
[0053]本實施例中的半固態金屬漿料制備裝置還包括攪拌控制裝置，與攪拌桿連接，用于控制攪拌桿攪拌時的轉速，例如可以控制該轉速為O?1000r/min。
[0054]本實施例中的半固態金屬漿料制備裝置還包括溫度檢測裝置，用于檢測承載容器中金屬熔體的溫度。該溫度檢測裝置可以是各種溫度檢測電路，例如可以是包含熱電偶的溫度檢測電路；通過該溫度檢測裝置檢測到承載容器中金屬熔體的溫度達到預設溫度后，可以手動操作攪拌控制裝置和供氣裝置分別停止攪動和供氣，該溫度檢測裝置也可與攪拌控制裝置和供氣裝置連接，以在檢測到承載容器中金屬熔體的溫度達到預設溫度后，自動控制攪拌控制裝置和供氣裝置分別停止攪動和供氣。
[0055]應當理解的是，本實施例中攪拌桿以及導氣管的各種尺寸都可以根據具體應用場景靈活設置，例如具體可以設置攪拌桿的壁厚為3mm?1mm ;導氣管的內徑為2mm?10mm;供氣裝置通過該導氣管按預設氣體流量向攪拌桿內部空腔內注入冷卻氣體，該預設氣體流量為O?1000L/min。
[0056]實施例二:
[0057]本實施例在實施例一所示的半固態金屬漿料制備裝置上，示例一種利用該半固態金屬漿料制備裝置制備半固態金屬漿料的方法，該半固態金屬漿料可以是鎂合金、鋁合金、鋅合金及其復合材料等類型的半固態漿料。該方法請參見圖4所示，包括:
[0058]步驟401:在承載容器中制備金屬熔體(此時則是在承載容器中經熔化、精煉等工藝加工得到金屬熔體)，或將制備好的金屬熔體加入承載容器中；
[0059]步驟402:控制攪拌桿的攪拌端在承載容器中的金屬熔體內按照預設轉速和方向進行攪拌，且供氣裝置通過導氣管按預設氣體流量向空腔內注入冷卻氣體，以實現冷卻和攪拌的協同進行；該步驟中的預設轉速為O?1000r/min，預設氣體流量為O?1000L/min ；
[0060]該步驟中的控制攪拌桿可以通過攪拌控制裝置控制，在要求不高的場景下甚至可以手動控制；攪拌方向可以自始至終沿著一個方向(例如順時針或逆時針)進行，也可以在攪拌過程中調整轉動方向；
[0061]步驟403:待承載容器中的金屬熔體冷卻至預定溫度后，攪拌桿停止攪拌，且供氣裝置停止向空腔內注入冷卻氣體；具體可以通過溫度檢測裝置檢測承載容器中金屬熔體的溫度；通過該溫度檢測裝置檢測到承載容器中金屬熔體的溫度達到預設溫度后，可以手動操作攪拌控制裝置和供氣裝置分別停止攪動和供氣，也可以通過溫度檢測裝置在檢測到承載容器中金屬熔體的溫度達到預設溫度后，自動控制攪拌控制裝置和供氣裝置分別停止攪動和供氣；另外，該步驟中的預定溫度設定為等于金屬熔體的金屬體液相線溫度t+Δ t, At的取值范圍為0°C?100°C。例如，假設金屬熔體為A356鋁合金熔體，對應的A356鋁合金的液相線溫度為615°C，此時的預定溫度等于615°C + At,At的取值范圍為(TC ?10cC0
[0062]實施例三:
[0063]為了更好的理解本發明，下面以一種具體的半固態金屬漿料制備裝置結合幾種具體類型的金屬溶劑對本發明進行進一步的示例性說明。
[0064]請參見圖5所示，該半固態金屬漿料制備裝置包括供氣裝置1、導氣管2、攪拌桿3(該示例采用圖1所示結構的中空攪拌桿)以及用于盛放金屬熔體4的坩禍5，攪拌桿3的攪拌端伸入坩禍5中的金屬熔體4內，在攪拌桿3的攪拌端設置有攪拌葉片7，以提升攪拌效率和效果；還包括用于檢測金屬熔體4溫度的熱電偶6 ;在攪拌過程中，利用氣冷和攪拌的原理，攪拌桿3攪拌的同時供氣裝置I將冷卻氣體(例如空氣)通過導氣管2注入攪拌桿3的內部空腔，注入的冷卻氣體從導氣管2與攪拌桿3內壁之間的空隙流出，對攪拌桿3形成持續冷卻，達到加速金屬熔體4冷卻并促進熔體形核的效果，當金屬熔體4冷卻至預定溫度后停止攪拌和通氣，便可獲得液相基體中均勻分布一定比例的近球狀初生固相8的半固態漿料。該半固態金屬漿料制備裝置構造簡單，應用方便、效率高，可連續快速生產，安全可靠、適用于多種輕合金及其復合材料半固態漿料制備，尤其適合于制備大容積半固態漿料和工業化生產。
[0065]下面以幾種具體的金屬溶劑的加工過程對本發明做示例性說明:
[0066]A356鋁合金溶體:
[0067]1、制合金熔體:
[0068]試驗用A356鋁合金的液相線和固相線溫度分別為615°C和556°C，將鋁合金錠放入到預熱溫度為350°C的坩禍電阻爐內，待合金液溫度升溫到720°C后進行精煉，用鐘罩將烘干后的六氯乙烷壓入熔體底部(加入量為合金液總重量的0.5% )，并輕輕搖動，進行熔體除氣、除渣精煉處理，最后將合金熔體降溫至650°C后保溫；
[0069]2、攪拌冷卻:
[0070]設攪拌桿垂直放置，攪拌桿轉速200r/min，氣體通入量245L/min，攪拌桿壁厚3mm，攪拌桿內腔直徑15mm，通氣管直徑5mm，攪拌葉片為兩片板狀，通氣攪拌25s后，停止攪拌通氣，此時合金熔體溫度處于半固態區間，其液相基體中均勻分布著一定比例的近球狀初生固相，該攪拌冷卻過程請參見圖6-8所示，圖6所示的初始攪拌冷卻時金屬熔體內還沒有近球狀初生固相8，圖7所示攪拌冷卻一段時間后在金屬熔體中逐漸有近球狀初生固相8產生，圖8所示為攪拌25s后在金屬熔體中產生的很多近球狀初生固相8，至此A356鋁合金半固態漿料制備完成，其漿料顯微組織如圖9所示，平均晶粒尺寸為61 μ m，形貌圓整且分布均勻。
[0071]ADC12鋁合金溶體:
[0072]1、制合金熔體:
[0073]試驗用ADC12鋁合金的液相線和固相線溫度分別為580°C和515°C，將鋁合金錠放入到預熱溫度為300°C的坩禍電阻爐內，待合金液溫度升溫到700°C后進行精煉，用鐘罩將烘干后的六氯乙烷壓入熔體底部(加入量為合金液總重量的0.5% )，并輕輕搖動，進行熔體除氣、除渣精煉處理，最后將合金熔體降溫至630°C后保溫；
[0074]2、攪拌冷卻:
[0075]設攪拌桿垂直放置，螺桿轉速300r/min，氣體通入量245L/min，攪拌桿壁厚6mm，攪拌桿內腔直徑15mm，通氣管直徑5mm，攪拌葉片為兩片板狀，通氣攪拌20s后，停止攪拌通氣，此時合金熔體溫度處于半固態區間，其液相基體中均勻懸浮著一定比例的近球狀初生固相，ADC12鋁合金半固態漿料制備完成，其漿料組織如圖10所示，平均晶粒尺寸僅為37 μ m，形貌圓整且分布均勾。
[0076]7075鋁合金溶體:
[0077]1、制合金熔體:
[0078]試驗用7075鋁合金的液相線和固相線溫度分別為635°C和477°C，將鋁合金錠放入到預熱溫度為400°C的坩禍電阻爐內，待合金液溫度升溫到720°C后進行精煉，用鐘罩將烘干后的六氯乙烷壓入熔體底部(加入量為合金液總重量的0.5% )，并輕輕搖動，進行熔體除氣、除渣精煉處理，最后將合金熔體降溫至660°C后保溫。
[0079]2、攪拌冷卻:
[0080]設攪拌桿垂直放置，螺桿轉速100r/min，氣體通入量245L/min，攪拌桿壁厚4mm，攪拌桿內腔直徑15mm，通氣管直徑5mm，攪拌葉片為兩片板狀，通氣攪拌20s后，停止攪拌通氣，此時，合金熔體溫度處于半固態區間，7075鋁合金半固態漿料制備完成，其漿料組織如圖11所示，平均晶粒尺寸為43 μπι，形貌圓整且分布均勻。
[0081]AZ91D鎂合金熔體:
[0082]1、制合金熔體:
[0083]試驗用AZ91D鎂合金的液相線和固相線溫度分別為595°C和470°C，將鋁合金錠放入到預熱溫度為350°C的坩禍電阻爐內，待合金液溫度升溫到700°C后進行精煉，熔煉過程中，爐內鎂合金采用氬氣和覆蓋劑保護，清渣干凈后，將合金熔體降溫至620°C保溫；
[0084]2、攪拌冷卻:
[0085]設攪拌桿垂直放置，螺桿轉速200r/min，氣體通入量123L/min，攪拌桿壁厚5mm，攪拌桿內腔直徑15mm，通氣管直徑5mm，攪拌葉片為兩片板狀，通氣攪拌25s后，停止攪拌通氣，此時，合金熔體溫度處于半固態區間，其液相基體中均勻懸浮著一定比例的近球狀初生固相，AZ91D鎂合金半固態漿料制備完成，其漿料組織如圖12所示，平均晶粒尺寸為45 μ m，形貌圓整且分布均勻。
[0086]可見，本發明提供的氣冷攪拌桿連續快速制漿技術是機械攪拌制漿技術的進一步發展與完善，將攪拌與氣冷技術融為一體，是一種先進的半固態金屬漿料制備技術，相對于現有技術，其至少具備以下優點:
[0087]1、該半固態金屬漿料制備裝置結構簡單，成本低，使用方便，可連續穩定工作，效率高，適用于鎂合金、鋁合金、鋅合金及其復合材料等類型的半固態漿料的制備，金屬熔體溫度、攪拌速度、攪拌時間和氣體通入量可做到精確控制，易于工業化推廣；
[0088]2、攪拌桿在持續氣冷過程中，加速了金屬熔體冷卻，促進了金屬熔體形核，由于攪拌作用，熔體的溫度場和濃度場可以快速達到均勻一致，在獲得的半固態漿料中，初生固相形貌圓整、分布和大小均勻；
[0089]3、通過向攪拌桿內部注入冷卻氣體，在攪拌桿上同時完成了均勻攪拌和快速冷卻工序，相比于現有攪拌技術，效率高、投資少；采用通氣冷卻，安全可靠；導氣管可插入攪拌桿內腔，不與熔體接觸，不會造成部分氣體滯留在合金熔體中，更不會造成堵料積料問題；
[0090]4、冷卻氣體選擇范圍廣，可以選擇空氣，可進一步大大降低制漿成本，同時具有環境友好特征；
[0091]5、該半固態金屬漿料制備裝置取消了復雜的低過熱度澆注，大大降低了液相線澆注的難度，易于控制；取消了傳統的雙螺旋攪拌，解決了雙螺旋結構存在螺桿工況差，消耗高，壽命短，清理拆卸麻煩，適用合金范圍窄的問題；取消了傾斜板澆注和各種澆道澆注，避免了傾斜板及澆道表面粘料的難題，不需頻繁清理，省時省力。
[0092]以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，包括:供氣裝置、導氣管、攪拌桿以及用于盛放金屬熔體的承載容器；所述攪拌桿伸入所述承載容器中金屬熔體內的一端為攪拌端，所述攪拌端內部具有空腔，所述供氣裝置用于在所述攪拌桿對所述金屬熔體進行攪拌時通過所述導氣管向所述攪拌端內部空腔內注入冷卻氣體。2.如權利要求1所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述攪拌桿為中空結構且中間的空腔在縱向上延伸至所述攪拌端； 或所述攪拌桿中間由一中空套筒和設置于所述中空套筒中心位置的實心柱構成，所述實心柱與所述中空套筒內壁之間形成空腔，且該空腔在縱向上延伸至所述攪拌端； 或所述攪拌桿的攪拌端為中空結構，其他部分為實心結構。3.如權利要求2所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述攪拌桿攪拌端以上部位還設有與所述空腔連通的通氣口，所述導氣管的入氣口與所述供氣裝置的出氣口連接，所述導氣管的出氣口與所述通氣口連接或通過所述通氣口伸入所述空腔，注入所述空腔內的冷卻氣體最終通過所述通氣口流出所述空腔。4.如權利要求3所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述導氣管的出氣口通過所述注氣口伸入所述空腔時，所述導氣管伸入所述空腔部分的側壁上設有與導氣管管孔相通的噴射孔，所述冷卻氣體通過所述噴射孔向所述空腔內噴射。5.如權利要求1-4任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述攪拌桿的攪拌端外壁上還設有攪拌葉片。6.如權利要求1-4任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述攪拌桿的攪拌端伸入所述承載容器中金屬熔體內時，其縱向軸線與水平面之間的夾角為30°?90。。7.如權利要求1-4任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，還包括攪拌控制裝置，與所述攪拌桿連接，用于控制所述攪拌桿攪拌時的轉速。8.如權利要求1-4任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，還包括溫度檢測裝置，用于檢測所述承載容器中金屬熔體的溫度。9.如權利要求1-4任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置，其特征在于，所述導氣管的內徑為2_?100mm。10.一種利用如權利要求1-9任一項所述的半固態金屬漿料制備裝置制備半固態金屬漿料的方法，其特征在于，包括: 在所述承載容器中制備金屬熔體，或將制備好的金屬熔體加入所述承載容器中； 所述攪拌桿的攪拌端在所述承載容器中的金屬熔體內按照預設轉速和方向進行攪拌，且所述供氣裝置通過所述導氣管按預設氣體流量向所述空腔內注入冷卻氣體； 待所述承載容器中的金屬熔體冷卻至預定溫度后，所述攪拌桿停止攪拌，所述供氣裝置停止向所述空腔內注入冷卻氣體。11.如權利要求10所述的制備半固態金屬漿料的方法，其特征在于，所述預設轉速為O ?1000r/min。12.如權利要求10或11所述的制備半固態金屬漿料的方法，其特征在于，所述預設氣體流量為O?1000L/min。13.如權利要求10或11所述的制備半固態金屬漿料的方法，其特征在于，所述預定溫度等于所述金屬熔體的金屬體液相線溫度t+ Λ t，Λ t的取值范圍為0°C?100°C。
【文檔編號】B22D17/08GK105855498SQ201510031678
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年1月21日
【發明人】康永林, 祁明凡, 周冰, 彭典明, 鄭華偉, 劉金
【申請人】中興通訊股份有限公司